基于有限元的实时变形技术研究与应用

发布时间：2017-10-10 21:19

  本文关键词：基于有限元的实时变形技术研究与应用

  更多相关文章： 有限单元法 变形仿真 眼角膜 虚拟手术 质点弹簧模型

【摘要】：变形仿真是利用计算机技术对物体受力变形过程进行的模拟，要求精确性及实时性。有限元方法有着深厚的物理背景，尤其适用于需要提供精确形变仿真的场合，如虚拟手术仿真等，唯一的缺点是计算量较大。虚拟手术的出现给医生带来了更多的手术资源、更短的培训周期和更低的培训成本。由于活体组织的获取极为困难，角膜虚拟手术成为当今虚拟手术领域中迫切需要发展研究的对象。 首先，本文参数化构造了一种人眼有限元模型，利用它进行了眼内压加载、手术器械接触及针刺仿真；然后，为提高仿真速度，对人眼模型进行简化，建立了局部有限元计算模型及混合模型；最后，构建了人眼角膜质点弹簧模型，并对比了有限元模型与质点弹簧模型仿真的真实性及实时性。研究最终目的是为角膜虚拟手术提供合适的变形仿真模型。论文主要研究内容如下： （1）综合分析了虚拟手术的硬件组成、软件组成及关键技术，具体研究了虚拟手术中利用有限元实现形变模拟的原理及计算模型。 （2）研究了人眼的生理结构及力学特性，基于临床平均数据建立了较完整的人眼三维有限元模型，实现了模型在不同眼内压加载仿真，并与实验数据对比，表明该模型可以准确仿真角膜形变。 （3）提出了构造局部计算模型的方法，有效降低了实时仿真计算量。研究建立角膜及部分巩膜的局部有限元模型，并权衡计算精度及计算耗费对模型进行了优化，提高了角膜手术接触变形仿真速度；根据角膜手术在特定区域切割、缝合且形变量小的特点，构建了相应的混合有限元模型，降低了针刺过程仿真的计算量。 （4）利用CHAI3D虚拟现实软件框架，，基于改进的质点弹簧模型建立了角膜模型并实现了形变仿真，对质点弹簧模型与有限元模型作了真实性与实时性比较。结果表明，虽然质点弹簧模型实时性优于有限元模型，但是不能表现真实的角膜生物力学特性，本文建立的有限元模型更适用于角膜手术仿真。
【关键词】：有限单元法 变形仿真 眼角膜 虚拟手术 质点弹簧模型
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP391.9;R779.6
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 图表清单8-10
• 注释表10-11
• 缩略词11-12
• 第一章 绪论12-21
• 1.1 有限元法及实时变形技术12-14
• 1.1.1 有限元的产生与发展12
• 1.1.2 有限元法在变形仿真技术中的应用现状12-14
• 1.2 虚拟手术14-17
• 1.2.1 虚拟手术研究背景及应用14-15
• 1.2.2 虚拟手术及其形变模型研究现状15-17
• 1.3 角膜虚拟手术17-19
• 1.3.1 角膜虚拟手术研究背景17-18
• 1.3.2 角膜建模与变形仿真现状18-19
• 1.4 论文的工作及内容安排19-21
• 第二章 虚拟手术有限元仿真技术与方法21-34
• 2.1 可视化计算机辅助虚拟手术系统21-24
• 2.1.1 虚拟手术系统的组成21-22
• 2.1.2 虚拟手术关键技术22-24
• 2.2 有限元物理模型形变仿真24-33
• 2.2.1 有限元仿真基本原理24-26
• 2.2.2 有限元仿真难点及基本假设26-27
• 2.2.3 有限元计算模型27-31
• 2.2.4 有限元求解算法31-33
• 2.3 本章小结33-34
• 第三章 角膜手术形变仿真34-54
• 3.1 眼组织形态及生物力学特性34-37
• 3.1.1 眼组织结构及几何形态34-36
• 3.1.2 生物力学特性及本构方程36-37
• 3.2 角膜手术中的形变分析37-38
• 3.3 人眼几何模型38-40
• 3.4 角膜手术接触仿真40-47
• 3.4.1 单元选择41-43
• 3.4.2 网格划分43-44
• 3.4.3 边界条件及加载求解44-46
• 3.4.4 手术器械接触仿真46-47
• 3.5 有限元模型实时性优化47-53
• 3.5.1 滑动铰支局部模型47-50
• 3.5.2 离散方式优化50-52
• 3.5.3 整体有限元模型与局部有限元模型对比52-53
• 3.6 本章小结53-54
• 第四章 角膜手术针刺仿真54-59
• 4.1 混合模型54-55
• 4.2 针刺仿真55-58
• 4.2.1 局部细化模型56
• 4.2.2 仿真及手术区域确定56-58
• 4.3 实时性对比58
• 4.4 本章小结58-59
• 第五章 角膜虚拟手术仿真实验平台59-65
• 5.1 质点弹簧模型59-60
• 5.2 质点弹簧模型角膜手术仿真实验60-62
• 5.3 有限元与质点弹簧两种建模方法对比62-64
• 5.3.1 仿真真实性62-64
• 5.3.2 仿真实时性64
• 5.4 本章小结64-65
• 第六章 总结与展望65-67
• 6.1 全文总结65-66
• 6.2 研究展望66-67
• 参考文献67-71
• 致谢71-72
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文72

【参考文献】

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本文编号：1008667